文獻(xiàn)翻譯BG080420丁鍵(中文翻譯)——電熱水器的優(yōu)化控.doc

9電熱水器的優(yōu)化控制與微機(jī)系統(tǒng) 電熱水器的優(yōu)化控制與微機(jī)系統(tǒng)摘要：廣義地說，微處理系統(tǒng)是用于處理信息的，這種信息可以是電話交談，儀器讀數(shù)或企業(yè)帳戶，但是各種情況下都涉及相同的主要操作：信息處理、存儲和傳遞。在常規(guī)的電子設(shè)計(jì)中，這些操作都是以功能平臺方式組合起來的，例如計(jì)數(shù)器，無論是電子還是機(jī)械的，都要存儲當(dāng)前值，并按要求將該值增1。諸如采用計(jì)數(shù)器的電子鐘之類的任一系統(tǒng)要使其存儲和處理能力遍布整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)槊總€(gè)計(jì)數(shù)器都能存儲和處理一些數(shù)字。當(dāng)前微處理化系統(tǒng)與上述的常規(guī)方法不同，它將處理，存儲和傳輸三個(gè)功能分離形成不同的系統(tǒng)單元。這種形成三個(gè)主要單元的分離方法是馮-諾依曼在20世紀(jì)40年代所設(shè)想出來的，并且是針對微計(jì)算機(jī)的設(shè)想。從此幾乎所有制成的計(jì)算機(jī)都是用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，盡管包含寬廣的物理形式，從根本上來說他們均是具有相同的基本設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：微機(jī)處理；優(yōu)化；控制系統(tǒng)；存儲系統(tǒng)；輸入輸出口1 簡介單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價(jià)錢也是低的，一般不超過10元即可。用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 2 基本概念在微處理器系統(tǒng)中，處理是由微處理器本身完成的。存儲是利用存儲器電路，而進(jìn)入和出自系統(tǒng)的信息傳輸則是利用特定的輸入/輸出（I/O）電路。要在一個(gè)微處理器化時(shí)鐘中找出執(zhí)行計(jì)數(shù)功能的一個(gè)特殊硬件是不可能的，因?yàn)闀r(shí)間存儲在存儲器中，而在固定的時(shí)間間隔下由微處理器控制增值。但是，規(guī)定系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的軟件包含實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能的單元。由于系統(tǒng)幾乎完全由軟件所定義，所以對微處理器結(jié)構(gòu)和其輔助電路這種看起來非常抽象的處理方法使其在應(yīng)用時(shí)非常靈活。這種設(shè)計(jì)過程主要是軟件工程，而且在生產(chǎn)軟件時(shí)，就會遇到產(chǎn)生于常規(guī)工程中相似的構(gòu)造和維護(hù)問題。 圖1.1 微型計(jì)算機(jī)的三個(gè)組成部分圖1.1顯示出了微型計(jì)算機(jī)中這三個(gè)單元是如何按照機(jī)器中的信息通信方式而聯(lián)接起來的。該系統(tǒng)由微處理器控制，它管理自己與存儲器和輸入/輸出單元的信息傳輸。外部的連接與工程系統(tǒng)的其余部分（即非計(jì)算機(jī)部分）有關(guān)。盡管圖中顯示的只有一個(gè)存儲單元，實(shí)際中有RAM和ROM兩種不同的存儲器被使用。由于概念上的計(jì)算機(jī)存儲器更像一個(gè)公文柜，上述的“存儲器”一詞是非常不恰當(dāng)?shù)?；信息存放在一系列已?biāo)號的“箱子”中，而且可按問題由“箱子”的序列號進(jìn)行信息的參考定位。微計(jì)算機(jī)常使用RAM（隨機(jī)存取存儲器），在RAM中數(shù)據(jù)可被寫入，并且在需要時(shí)可被再次讀出。這種數(shù)據(jù)能以任一所希望的次序從存儲器中讀出，不必按寫入時(shí)的相同次序，所以有“隨機(jī)”存取存儲器。另一類型ROM（只讀存儲器）用來保持不受微處理器影響的固定的信息標(biāo)本；這些標(biāo)本在電源切斷后不會丟失，并通常用來保存規(guī)定微處理器化系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的程序。ROM可像RAM一樣被讀取，但與RAM不一樣的是不能用來存儲可變的信息。有些ROM在制造時(shí)將其數(shù)據(jù)標(biāo)本放入，而另外的則可通過特殊的設(shè)備由用戶編程，所以稱為可編程ROM。被廣泛使用的可編程ROM可利用特殊紫外線燈察除，并被成為EPROM，即可察除可編程只讀存儲器的縮寫。另有新類型的期器件不必用紫外線燈而用電察除，所以稱為電可察除可編程只讀存儲器EEPROM。 微處理器在程序控制下處理數(shù)據(jù)，并控制流向和來自存儲器和輸入/輸出裝置的信息流。有些輸入/輸出裝置是通用型的，而另外一些則是設(shè)計(jì)來控制如磁盤驅(qū)動器的特殊硬件，或控制傳給其他計(jì)算機(jī)的信息傳輸。大多數(shù)類型的I/O裝置在某種程度下可編程，允許不同形式的操作，而有些則包含特殊用途微處理器的I/O裝置不用主微處理器的直接干預(yù)，就可實(shí)施非常復(fù)雜的操作。 假如應(yīng)用中不需要太多的程序和數(shù)據(jù)存儲量，微處理器、存儲器和輸入/輸出可全被包含在同一集成電路中。這通常是低成本應(yīng)用情況，例如用于微波爐和自動洗衣機(jī)的控制器。當(dāng)商品被大量地生產(chǎn)時(shí)，這種單一芯片的使用就可節(jié)省相當(dāng)大的成本。當(dāng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，更強(qiáng)更強(qiáng)的處理器和更大更大數(shù)量的存儲器被包含形成單片微型計(jì)算機(jī)，結(jié)果使最終產(chǎn)品的裝配成本得以節(jié)省。但是在可預(yù)見的未來，當(dāng)需要大量的存儲器或輸入/輸出時(shí)，還是有必要繼續(xù)將許多集成電路相互聯(lián)結(jié)起來，形成微計(jì)算機(jī)。 微計(jì)算機(jī)的另一主要工程應(yīng)用是在過程控制中。這是，由于裝置是按特定的應(yīng)用情況由微機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，對用戶來說微計(jì)算機(jī)的存在通常就更加明顯。在過程控制應(yīng)用中，由于這種設(shè)備以較少的數(shù)量生產(chǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)安裝在單個(gè)芯片上所獲取的利益常比不上所涉及的高設(shè)計(jì)成本。而且，過程控制器通常更為復(fù)雜，所以要將他們做成單獨(dú)的集成電路就更為困難?？刹捎脙煞N處理，將控制器做成一種通用的微計(jì)算機(jī)，正像較強(qiáng)版本的業(yè)余計(jì)算機(jī)那樣；或者做成“包裹”式系統(tǒng)，按照像電磁繼電器那樣的較老式的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，來取代控制器。對前一種情況，系統(tǒng)可以用常規(guī)的編程語言來編程，正如以后要介紹的語言那樣；而另一種情況，可采用特殊用途的語言，例如那種使控制器功能按照繼電器相互連接的方法進(jìn)行描述。兩種情況下，序均能存于RAM，這讓程序能按應(yīng)用情況變化時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的變化，但是這使得總系統(tǒng)易受掉電影響而工作不正常，除非使用電池保證供電連續(xù)性。另一種選擇是將程序在ROM中，這樣他們就變成電子“硬件”的一部分并常被稱為“固件”。 盡管大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使小型和微型計(jì)算機(jī)的差別變得“模糊”，更復(fù)雜的過程控制器需要小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)他們的過程。各種類型的產(chǎn)品和過程控制器代表了當(dāng)今微計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛性，而具體的結(jié)構(gòu)取決于對“產(chǎn)品”一詞的解釋。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)的所有工程和科學(xué)上的應(yīng)用都能指定來進(jìn)行這些種類的某一或某些工作。而在本設(shè)計(jì)中壓力和壓力變送器當(dāng)某一力加到某一面積上，就形成壓力，假如這力是1牛頓均勻地加在1平方米的面積上，這壓力被定義為1帕斯卡。壓力是一種普遍的工藝狀態(tài)，它也是這個(gè)星球上的一個(gè)生活條件：我們生活在向上延伸許多英里的大氣海洋的底部?？諝馕镔|(zhì)是有重量的，而且這種下壓的重量形成大氣壓。水，是生活的必需品，也是在壓力之下提供給我們中的大多數(shù)人。在典型的過程工廠中，壓力影響沸點(diǎn)溫度、凝固點(diǎn)溫度、過程效率、消耗和其他重要因數(shù)。壓力的測量和控制，或者壓力的不足真空，在典型的過程控制中是極為重要的。工廠中的工作儀器通常包括壓力計(jì)、精密紀(jì)錄儀、以及氣動和電動的壓力變送器。壓力變送器實(shí)現(xiàn)壓力測量并產(chǎn)生正比于所傳感壓力的氣動或電信號輸出。在過程工廠中，將控制儀表遠(yuǎn)遠(yuǎn)放在過程的附近是不現(xiàn)實(shí)的，并且大多數(shù)測量是不容易從遠(yuǎn)處傳來的。壓力測量是一個(gè)例外，但是，如果要離測量點(diǎn)幾百英尺外指示或記錄某種危險(xiǎn)化學(xué)品的高壓，就會有來自這個(gè)壓力所載的化學(xué)品所引發(fā)的危險(xiǎn)。為了消除這一問題，開發(fā)了一種信號傳輸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)常?？墒菤鈩踊蛘唠妱拥?。使用這種系統(tǒng)，就可以在某一地點(diǎn)安裝大多數(shù)的指示、記錄和控制儀器。這也是最少數(shù)量的操作者有效的運(yùn)行工廠成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)使用氣動傳送系統(tǒng)時(shí)，測量信號就由變送器將比例為0%100%的測量值轉(zhuǎn)換為氣動信號。變送器安裝在靠近過程中的測量點(diǎn)上。變送器輸出對氣動變送器是輸出壓力通過管道傳給記錄或控制儀表。氣動變送器的標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍是20100kPa，這信號幾乎在全球使用。當(dāng)使用電子壓力變送器時(shí)，壓力就被轉(zhuǎn)換成電流或電壓形式的電信號。其標(biāo)準(zhǔn)范圍對電流來說是420mA DC，對電壓信號來說是15V DC。當(dāng)今，另一種電信號形式變的越來越常用，就是數(shù)字或離散信號?；谟?jì)算機(jī)或微處理器的儀器或控制系統(tǒng)的應(yīng)用正推動這類信號的應(yīng)用不斷增加。有時(shí)，分析獲取描述傳感器/變送器特性的參數(shù)是很重要的。當(dāng)量程已知，去獲取增益就非常簡單。假定電子壓力傳感器的量程為0600kPa，增益定義為輸出變化除以輸入變化。這里，輸出的電信號（420mA DC），而輸入的過程壓力（0600kPa），這樣增益就為：此外我們在本設(shè)計(jì)中還必須對溫度進(jìn)行測量，溫度測量在工業(yè)控制中是很重要的，因?yàn)樗鳛橄到y(tǒng)或產(chǎn)品狀態(tài)的直接指標(biāo)，或者作為如反應(yīng)率、能量流、渦輪機(jī)效率和潤滑質(zhì)量等間接指標(biāo)。現(xiàn)行的溫度分度已使用了約200年，最初的儀器是基于氣體和液體的熱膨脹?，F(xiàn)在盡管有許多其他類型的儀器在使用，這些填充式系統(tǒng)仍常用于直接的溫度測量。有代表性的溫度傳感器包括：填充式熱系統(tǒng)、玻璃液體溫度計(jì)、熱電偶、電阻溫度探測器、熱敏電阻、雙金屬器件、光學(xué)和輻射高溫計(jì)和熱敏涂料。電氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括高的精度和靈敏度，能實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換或掃描多個(gè)測量點(diǎn)，可在測量元件和控制器之間長距離傳輸，出現(xiàn)事故時(shí)可調(diào)換元件，快速響應(yīng)，以及具有測量高溫的能力。其中熱電偶和電阻溫度探測器則被最廣泛的使用。3 詳細(xì)說明單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機(jī)，結(jié)果就會有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機(jī)對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機(jī)沒有家用計(jì)算機(jī)那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設(shè)備。一個(gè)可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會達(dá)到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機(jī)來講是不能接受的。 單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來運(yùn)行，家用PC的也是承受不了的。 可以說，二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指個(gè)人計(jì)算機(jī)，簡稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇： 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化